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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leiterplattenanordnung mit einer Trägerplatte, einer Leiterbahn auf der Trägerplatte und einer Anordnung zur Strombegrenzung.
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Aus den Druckschriften
WO 2008/113343 A2 und
WO 2005/039256 A1 sind Leiterplattenanordnungen mit Leiterbahnsicherungen bekannt. Die dort offenbarten Leiterbahnsicherungen lösen aus, indem eine Engstelle einer Kupfer-Leiterbahn durch ohmsche Erwärmung des Kupfers an der Engstelle abgeschmolzen wird.
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JP H08-51 261 A offenbart eine gedruckte Miniaturleiterplatte mit einem Draht, der auf einem Substrat gebildet wird und aus einer Kupferfolie besteht. Ein dünnes Teil wird ausgebildet, indem eine Breite des Drahts über eine bestimmte Länge dünn gemacht wird. Lötmittel wird an beiden Enden des dünnen Teils befestigt, um eine Sicherung auf dem Substrat zu bilden. Außerdem wird das Substrat mit Ausnahme eines gesicherten Teils des Lötmittels mit Lötstopplack überzogen. Eine Breite des dünnen Teils des Drahts wird so festgelegt, dass das dünne Teil Hitze am Schmelzpunkt oder mehr des Lötmittels erzeugt wenn ein übermäßiger Laststrom fließt. Das dünne Teil, das aus einer Kupferfolie besteht, wird in geschmolzener Flüssigkeit des geschmolzenen Lötmittels aufgelöst und erodiert.
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JP H10-32 372 A offenbart, dass eine Kupferfolie an einem Wärmeabgabe-Sicherungspunkt durch Ätzen oder mechanische Bearbeitung in der Dicke auf 45 bis 80% der restlichen Kupferfolie reduziert wird. In eine durch Ätzen oder dergleichen gebildete Ausnehmung wird ein Lot eingefüllt. Die Kupferwendel wird im Querschnitt klein und am Wärmeabgabe-Sicherungspunkt hochohmig, da sie durch Ätzen oder dergleichen dünn ausgebildet wird. Somit konzentriert sich Wärme auf den Wärmeabgabe-Sicherungspunkt, wenn ein Überstrom durch ein Netzwerk fliesst. Zinn in dem Lot und die Kupferspule werden zu einer schnell schmelzenden Legierung vermischt, so dass die Kupferfolie an dem Wärmeabgabe-Sicherungspunkt schneller aufgeschmolzen wird als in einem Fall, bei dem die Kupferfolie nicht so dünn wie beschrieben eingestellt ist.
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In
JP H07-17 6841 A wird eine Leiterplatte bereitgestellt, die in der Lage ist, Schäden an einer elektrischen Ausrüstung durch einen Strom zu vermeiden, der eine Nennleistung übersteigt. Auf einer Folie aus z. B. Polyester oder Polyimid sind mehrere Kupferverdrahtungen vorgesehen. Die abgeschälten Teile werden durch Ätzen auf jeweiligen Verdrahtungen bereitgestellt.
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JP H03-93 122 A beschäftigt sich mit dem Problem, eine Schaltung sicher durch Ausbilden eines Sicherungssockels zu unterbrechen, indem beide Enden einer Schaltung mit einem Metall dünner Gestalt verbunden werden, das mittels eines geschmolzenen niedrigschmelzenden Metalls leicht zu erodieren ist, und indem ein niedrig schmelzendes Metall auf dem Sicherungssockel mit einer Breite, die breiter ist als die des Sicherungssockels, diskontinuierliches abgeschieden wird. Hierzu sind beide Endteile einer leitfähigen Schaltung mit einem Metall das leicht mit einem geschmolzenen niedrig schmelzenden Metall erodiert werden kann, beispielsweise Silber, in einer dünnen Gestalt verbunden, und das Metall wird als Sicherungssockel verwendet.
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US 2013/099890 A1 betrifft ein Schutzelement, das in der Lage ist, einen Strompfad rechtzeitig zuverlässig abzuschalten, indem das Erosions-Phänomen eines Lotes in einem geschmolzenen Zustand ausgenutzt wird. Eine Mehrzahl von Elektroden wird durch eine erste elektrisch leitfähige Schicht, die auf einem Substrat abgeschieden ist, und durch eine Mehrzahl von zweiten elektrisch leitfähigen Schichten gebildet. Eine Lotpaste hat eine Benetzungsleistung für die Elektroden, die höher ist als die für das Substrat und wird auf der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht, die auf dem Substrat ausgebildet sind, abgeschieden. Die Lotpaste schmilzt durch mindestens eine aus einem Widerstand erzeugte Wärme und Wärme, die von einem Stapel der Elektroden und der Lotpaste erzeugt wird. Die Lotpaste erodiert den zwischen den Elektroden liegenden Abschnitt der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, sie wird von ihr zu den Elektroden hin angezogen, die eine höhere Benetzbarkeit aufweisen als die des Substrats.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Leiterplattenanordnung mit einer verbesserten Anordnung zur Strombegrenzung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leiterbahnanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Leiterplattenanordnung sind in den abhängigen Ansprüchen, in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Leiterplattenanordnung offenbart. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine elektronische Baugruppe mit der Leiterplattenanordnung und einem elektrischen oder elektronischen Bauelement offenbart. Das elektrische oder elektronische Bauelement ist insbesondere mit der Leiterplattenanordnung elektrisch verschaltet und kann zweckmäßigerweise mechanisch an der Leiterplattenanordnung befestigt sein, beispielsweise mittels einer Lötverbindung. Gemäß einem dritten Aspekt wird ein elektronisches Steuergerät, beispielsweise ein Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs mit der elektronischen Baugruppe offenbart. Das Steuergerät ist vorzugsweise mittels eines Kabelstrangs eines Kabelbaums mit einer Fahrzeugbatterie verbindbar.
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Die Leiterplattenanordnungen weist eine Trägerplatte auf. Die Trägerplatte ist beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Vorzugsweise ist die Trägerplatte elektrisch isolierend.
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Auf der Trägerplatte ist eine Leiterbahn angeordnet. Bei der Leiterbahn handelt es sich beispielsweise um eine Signalleitung oder um eine Stromversorgungsleitung des elektrischen oder elektronischen Bauelements. Bei einer Ausgestaltung ist das Bauelement mit der Leiterbahn verlötet, so dass es mit dieser elektrisch leitend verbunden und mechanisch mit der Leiterplattenanordnung fixiert ist.
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Die Leiterplattenanordnung weist zudem eine Anordnung zur Strombegrenzung auf. Mittels der Anordnung zur Strombegrenzung ist insbesondere Stromfluss durch die Leiterbahn zu dem Bauelement hin unterbrechbar, sie kann daher auch als elektrische Sicherung bezeichnet werden.
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Die Anordnung zur Strombegrenzung ist insbesondere von einem Element oder einer Baugruppe der Leiterbahnanordnung gebildet ist. Die Anordnung zur Strombegrenzung ist insbesondere dazu vorgesehen, beim Auslösevorgang ein Teilstück der Leiterbahn auf der Trägerplatte zu zerstören um einen Stromkreis zu unterbrechen. Sie kann zweckmäßig dazu ausgebildet sein, zumindest ein mit der Leiterplattenanordnung verschaltetes elektrisches oder elektronisches Bauelement vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung zu schützen, die insbesondere aus einem über einen gewissen Zeitraum fließenden Überstrom resultieren würde. Alternativ oder zusätzlich kann sie dazu vorgesehen sein, eine elektrische Einrichtung und/oder Leitung außerhalb des Steuergeräts vor Beschädigung durch zu starke Erwärmung zu schützen, die insbesondere aus einem über einen gewissen Zeitraum fließenden Überstrom resultieren würde.
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Die Leiterbahn hat einen ersten Leiterbahnabschnitt und einen zweiten Leiterbahnabschnitt sowie einen Sicherungsabschnitt.
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Der erste Leiterbahnabschnitt, der Sicherungsabschnitt und der zweite Leiterbahnabschnitt folgen insbesondere entlang des Strompfads durch die Leiterbahn in dieser Reihenfolge aufeinander. Der Sicherungsabschnitt erstreckt sich vom ersten bis zum zweiten Leiterbahnabschnitt, um diese elektrisch leitend zu verbinden.
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Die Anordnung zur Strombegrenzung weist einen Lotbump, ein elektrisches Heizelement zum zumindest stellenweisen Aufschmelzen des Lotbumps und einen Opferbereich des Sicherungsabschnitts der Leiterbahn auf oder wird von diesen drei Elementen gebildet.
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Lotbumps sind insbesondere aus Lot gebildete Erhebungen und werden vom Fachmann oft auch als Lotkugel, Lottropfen, Lötbump, Lotanhäufung, Lotkuppel oder Lotdepot bezeichnet. Trotz der alternativen Bezeichnungen als „Kugel“ bzw. „Tropfen“ muss der Lotbump keine Kugelform haben. Die Form hängt vielmehr von der Wechselwirkung des Lots mit der Trägerplatte bzw. Leiterbahn und dem Aufbringprozess ab. Beispielsweise kann der Lotbump eine kuppelförmige Gestalt haben, insbesondere mit einer ebenen Bodenfläche.
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Der Lotbump kann zweckmäßigerweise auf der Trägerplatte und/oder auf der Leiterbahn und/oder auf einer weiteren Leiterbahn der Leiterplattenanordnung aufgebracht sein. Insbesondere überlappt er in Draufsicht auf eine Hauptfläche der Trägerplatte mit der Leiterbahn. Bei einer Ausführungsform ist der Lotbump auf einem an die Leiterbahn angrenzenden - und vorzugsweise mit der Leiterbahn einstückig ausgebildeten - Auflagebereich aufgebracht und grenzt seitlich an die Leiterbahn an.
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Der Lotbump grenzt an den Opferbereich an. Der Opferbereich ist dazu vorgesehen, in aufgeschmolzenem Lot des Lotbumps gelöst zu werden um den Sicherungsabschnitt zu unterbrechen. Das Material des Opferbereichs und das Lot sind insbesondere derart aneinander angepasst, dass das Material des Opferbereichs mit dem Lot legierbar ist, so dass es sich in den flüssigen Lot lösen kann. Beispielsweise enthält der Opferbereich Kupfer oder besteht daraus und das Lot ist beispielsweise ein Zinnlot.
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Mittels der Lösung des Opferbereichs in dem zumindest stellenweise geschmolzenen Lotbump ist die Strombegrenzung, d. h. die Unterbrechung des Stromflusses durch die Leiterbahn mittels der Anordnung zur Strombegrenzung, bereits mit besonders geringen Strömen durch das elektrische Heizelement erzielbar. Anders ausgedrückt sind mit der Anordnung zur Strombegrenzung gemäß der vorliegenden Offenbarung besonders geringe Auslöseströme der Anordnung zur Strombegrenzung realisierbar. Insbesondere kann der Stromfluss bereits bei einem Auslösestrom unterbrochen werden, der zu gering ist um den Opferbereich durch ohmsche Erwärmung zu schmelzen.
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Bei Anschluss an die Leiterplattenanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung können daher beispielsweise in Kabelsträngen zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Steuergerät besonders geringe Leiterquerschnitte im Kabelbaum verwendet werden, ohne dass im Fall eines Kurzschlusses die Gefahr eines Brandes außerhalb des Steuergeräts ein hohes Brandrisiko außerhalb des Steuergeräts in Kauf genommen werden muss. Die Anordnung zur Strombegrenzung kann dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet und verschaltet sein, dass sie vor Überströmen schützt, die durch Ereignisse außerhalb des Steuergeräts verursacht sind.
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Zumindest der Opferbereich des Sicherungsabschnitts hat vorzugsweise einen kleineren Querschnitt als der erste und der zweite Leiterbahnabschnitt. Bei einer Weiterbildung hat der Sicherungsabschnitt an allen Stellen einen kleineren Querschnitt als der erste und der zweite Leiterbahnabschnitt. Unter dem Querschnitt des ersten bzw. zweiten Leiterbahnabschnitts wird insbesondere die Querschnittsfläche des jeweiligen Leiterbahnabschnitts in einem Übergangsbereich zum Sicherungsabschnitt, vorzugsweise an einer vom Lotbump unbedeckten - d.h. insbesondere freiliegenden oder nur von Lötstopplack bedeckten - Stelle verstanden. Insbesondere ist der Querschnitt nicht im Bereich eines vom Lotbump überdeckten, verbreiterten Auflagebereichs gemessen, auf den der Lotbump aufgebracht ist. Der Opferbereich bzw. der Sicherungsabschnitt hat vorzugsweise in der Serienschaltung des Strompfads durch die Leiterbahn den kleinsten Leiterquerschnitt.
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Auf diese Weise ist eine besonders geringe Menge an Leiterbahnmaterial im Lot aufzulösen, um den Sicherungsabschnitt zu unterbrechen. Die Anordnung zur Strombegrenzung kann daher besonders schnell auslösen.
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Vorzugsweise ist das elektrische Heizelement dazu ausgebildet, den Lotbump auf eine Temperatur von mindestens 50 K oberhalb der Schmelztemperatur des Lots, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 100 K oberhalb der Schmelztemperatur des Lots zu erwärmen, wenn das Heizelement von dem Auslösestrom durchflossen ist, für den die Anordnung zur Strombegrenzung ausgelegt ist. Auf diese Weise ist eine besonders große Lösungsgeschwindigkeit des Opferbereichs im Material des Lotbumps erzielbar, so dass die Anordnung zur Strombegrenzung besonders schnell auslösen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrische Heizelement von dem Sicherungsabschnitt oder einem Teilbereich des Sicherungsabschnitts gebildet. Vorzugsweise hat der Sicherungsabschnitt bzw. der Teilbereich des Sicherungsabschnitts einen kleineren Querschnitt als der erste und der zweite Leiterbahnabschnitt. So kann der Opferbereich durch Erwärmung mittels des Heizelements aufgelöst werden, bevor andere Elemente der Leiterplattenanordnung einem zu großen Stromfluss und einer zu großen Erwärmung ausgesetzt sind. Bei einer Weiterbildung sind die Querschnitte des Heizelements und des Opferbereich gleich groß. Der Opferbereich kann Bestandteil des Heizelements sein oder das Heizelement kann von dem Opferbereich räumlich getrennt sein oder an den Opferbereich angrenzen. Bei einer Ausführungsform grenzt das Heizelement an den Lotbump an oder überlappt mit dem Lotbump in Draufsicht auf die Trägerplatte. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Heizelement von dem Lotbump beabstandet. Insbesondere kann es in diesem Fall vom Lotbump elektrisch isoliert sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement von einem in der Trägerplatte eingebetteten Abschnitt der Leiterbahn oder von einem in der Trägerplatte eingebetteten Abschnitt einer weiteren Leiterbahn der Leiterplattenanordnung gebildet. Der das Heizelement bildende, in der Trägerplatte eingebettete Abschnitt ist bei einer Weiterbildung in Draufsicht auf die Trägerplatte zumindest stellenweise von dem Lotbump überdeckt. Er hat vorzugsweise einen kleineren Querschnitt als der erste und als der zweite Leiterbahnabschnitt. Bei einer Weiterbildung ist der in der Trägerplatte eingebettete, das Heizelement bildende Abschnitt mittels Vias mit der auf der Trägerplatte angeordneten Leiterbahn thermisch und insbesondere elektrisch verbunden. In Draufsicht auf die Trägerplatte sind bei einer Weiterbildung die Vias von dem Lotbump überdeckt.
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Ein Via(vertical interconnect access), auch Durchkontaktierung genannt, ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine vertikale elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnebenen der Leiterplattenanordnung. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine innen metallisierte Bohrung in der Trägerplatte realisiert sein. Alternativ können auch Nieten oder Stifte verwendet sein.
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Der Sicherungsabschnitt gekrümmt und geknickt. Mit anderen Worten hat der Sicherungsabschnitt ein Teilstück, das in Draufsicht auf die Trägerplatte gekrümmt verläuft und/oder er hat ein Teilstück, das einen Knick aufweist. Mittels der Krümmung bzw. des Knicks ist eine besonders schnelle und zuverlässige Unterbrechung der Leiterbahn beim Auslösen der Anordnung zur Strombegrenzung erzielbar. Die Erfinder haben festgestellt, dass mechanische Spannungen im Bereich solcher Krümmungen bzw. Knicke vorteilhaft für die Ausbildung einer Sollbruchstelle der Leiterbahn im Opferbereich sind. So ist eine besonders schnelle Unterbrechung des Sicherungsabschnitts beim Auslösevorgang erzielbar.
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Ein Teilstück des Sicherungsabschnitts verläuft in Draufsicht auf die Trägerplatte bogenförmig um den Lotbump herum. Insbesondere stellt das um den Lotbump bogenförmig herum verlaufende Teilstück das Heizelement oder einen Teil des Heizelements dar. Mittels des bogenförmigen Verlaufs ist eine besonders effiziente Erwärmung des Lotbumps realisierbar.
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Das bogenförmige Teilstück verläuft bis zu einem Knick des Sicherungsabschnitts bogenförmig um den Lotbump herum. Vorzugsweise grenzt entweder der Knick an den Lotbump an oder ein Bereich des Sicherungsabschnitts, der insbesondere den Opferbereich enthält, erstreckt sich von dem Knick bis zu dem Lotbump hin. Bei einer Weiterbildung erstreckt er sich gerade von dem Knick bis zu dem Lotbump hin. Bei dieser Ausführungsform ist eine Anordnung zur Strombegrenzung erzielbar, die bei besonders geringem Strom auslöst. Ein - insbesondere schwach gekrümmter - bogenförmiger Verlauf vom Knick bis zum Lotbump hin ist als Variante dieser Ausführungsform ebenfalls denkbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lotbump zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterbahnabschnitt angeordnet und von diesem beabstandet. Beispielsweise erstreckt sich ein erstes Teilstück des Sicherungsabschnitts von dem Lotbump in Richtung zum ersten Leiterbahnabschnitt und ein zweites Teilstück erstreckt sich von dem Lotbump zum zweiten Leiterbahnabschnitt, wobei das erste und das zweite Teilstück an gegenüberliegenden Seiten lateral über den Lotbump hinausragen. Gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform weist der Sicherungsabschnitt mehrere Teilstücke auf, die lateral - d.h. quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung - voneinander beabstandet sind, stellenweise von dem Lotbump bedeckt oder überdeckt sind und von denen jedes an gegenüberliegenden Seiten über den Lotbump lateral hinausragt. Beispielsweise sind die Teilstücke zueinander parallel und verlaufen jeweils von dem ersten Leiterbahnabschnitt bis zu dem zweiten Leiterbahnabschnitt hin. Bei einer anderen Weiterbildung verlaufen die Teilstücke mäanderförmig mehrmals unter dem Lotbump hindurch. Beispielsweise sind mittels der Teilstücke bogenförmige Bereiche des Sicherungsabschnitts gebildet, die in Draufsicht auf die Trägerplatte seitlich von dem Lotbump angeordnet sind und deren Enden bis zum Lotbump hin verlaufen.
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Beispielsweise bei dieser Ausführungsform kann der Lotbump an seiner der Trägerplatte zugewandten Seite stellenweise an den Sicherungsabschnitt der Leiterbahn und stellenweise direkt an die Trägerplatte angrenzen. Insbesondere ist er nicht vollflächig auf einem metallischen Auflagebereich aufgebracht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform hat die Leiterplattenanordnung einen - insbesondere metallischen - Auflagebereich, auf den der Lotbump aufgebracht ist, so dass er mit dem Auflagebereich in Draufsicht auf die Trägerplatte überlappt. Bei einer Weiterbildung überlappt der Lotbump vollflächig mit dem Auflagebereich. Insbesondere haben der Auflagebereich und der Lotbump in Draufsicht auf die Trägerplatte die gleiche Außenkontur und der Auflagebereich hat eine einfach zusammenhängende Auflagefläche für den Lotbump, die insbesondere von seiner Außenkontur begrenzt wird. Auf diese Weise sind die laterale Ausdehnung und das Volumen des Lotbumps besonders einfach und reproduzierbar einstellbar. Der Auflagebereich kann einstückig mit der Leiterbahn ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Leiterplattenanordnungen und der elektrischen bzw. elektronischen Baugruppe ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit schematischen Figuren dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
- 1a eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer ersten Leiterplattenanordnung,
- 1b eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt der ersten Leiterplattenanordnung bei einem ersten Stadium des Auslösevorgangs der Anordnung zur Strombegrenzung,
- 1c eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt der ersten Leiterplattenanordnung in einem Stadium nach dem Auslösen der Anordnung zur Strombegrenzung,
- 2a eine schematische Schnittansicht der Leiterplattenanordnung gemäß 1a,
- 2b eine schematische Schnittansicht der Leiterplattenanordnung in dem Stadium der 1b,
- 2c eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts der Leiterplattenanordnung im Stadium der 1c,
- 3 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer elektronischen Baugruppe mit einer zweiten Leiterplattenanordnung,
- 4 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer dritten Leiterplattenanordnung,
- 5 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Leiterplattenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer fünften Leiterplattenanordnung,
- 7 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Leiterplattenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 8 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer siebten Leiterplattenanordnung,
- 9 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer achten Leiterplattenanordnung, und
- 10 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer neunten Leiterplattenanordnung.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche, gleich wirkende oder gleichartige Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Einzelne Bezugszeichen können dabei in einigen Zeichnungen zur Verbesserung der Darstellbarkeit weggelassen sein. Die Größen und Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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Die 1a und 2a zeigen eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer ersten Leiterplattenanordnung.
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Die Leiterplattenanordnung weist eine Trägerplatte 1 auf. Die Trägerplatte 1 hat eine Hauptfläche, auf der eine Leiterbahn 2 aufgebracht ist. Die Trägerplatte 1 mit der aufgebrachten Leiterbahn 2 stellt eine Leiterplatte dar. Die Trägerplatte ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial.
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Die Leiterbahn 2 hat einen ersten Leiterbahnabschnitt 21 und einen zweiten Leiterbahnabschnitt 22 die räumlich voneinander getrennt sind. Ein Sicherungsabschnitt 23 der Leiterbahn 2 erstreckt sich auf der Trägerplatte 1 vom ersten Leiterbahnschnitt 21 bis zum zweiten Leiterbahnabschnitt 22 hin. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 mittels des Sicherungsabschnitts 23 elektrisch überbrückt.
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Die Leiterplattenanordnung hat eine Anordnung zur Strombegrenzung, die vorliegend von dem Sicherungsabschnitt 23 der Leiterbahn 2 sowie von zwei Lotbumps 3 gebildet ist, die angrenzend an den Sicherungsabschnitt 23 auf dem ersten bzw. zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 angeordnet sind. 1a und 2a zeigen die Anordnung zur Strombegrenzung in intaktem Zustand. D.h. insbesondere, dass die Anordnung zur Strombegrenzung in diesem Zustand nur mit Strömen unterhalb eines vorgegebenen Auslösestroms beaufschlagt worden ist, für welchen die sie ausgelegt ist.
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Bei den Lotbumps 3 handelt es sich um auf die Leiterbahn 2 aufgedruckt Lötpunkte, die eine kuppelförmige - beispielsweise halbkugelige - Grundform haben. Vorliegend bilden Bereiche des ersten und des zweiten Leiterbahnabschnitts 21, 22 jeweils einen Auflagebereich, der vorzugsweise bündig mit einer auf dem Auflagebereich aufliegenden Grundfläche der Lotbumps 3 ist.
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Der Sicherungsabschnitt 23 hat einen kleineren Querschnitt als der erste und der zweite Leiterbahnabschnitt 21, 22, wobei darunter der Querschnitt des jeweiligen Abschnitts 21, 22 in einem von den Lotbumps 3 unbedeckten Bereich - d.h. hier insbesondere außerhalb des Auflagebereichs - zu verstehen ist. Der kleinere Querschnitt des Sicherungsabschnitts 23 ist vorliegend durch eine verringerte Breite des Sicherungsabschnitts 23 in Draufsicht auf die Hauptfläche der Trägerplatte 1 realisiert.
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Die Leiterbahn 2 ist aus Kupfer gefertigt. Die Lotbumps bestehen aus einem Zinnlot, das insbesondere auch zur Befestigung von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen 5 auf der Leiterplattenanordnung verwendbar bzw. verwendet ist.
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Der Querschnitt des Sicherungsabschnitts 23 ist so gewählt, dass sich der Sicherungsabschnitt 23 bei Beaufschlagung mit dem vorgegebenen Auslösestrom oder einem Strom größerer Stromstärke derart erwärmt, dass die Lotbumps 3 zumindest in einem an dem Sicherungsabschnitt 23 angrenzenden Bereich aufgeschmolzen werden. Insbesondere ist der Querschnitt so gewählt, dass bei Beaufschlagung mit dem Auslösestrom eine Temperatur von mindestens 50 K oberhalb der Schmelztemperatur des Lots erzielt wird. Bei üblichen, in der Automobilindustrie verwendeten Zinnloten beträgt die Schmelztemperatur beispielsweise etwa 220 °C. Der Sicherungsabschnitt 23 stellt auf diese Weise ein elektrisches Heizelement 4 zum Aufschmelzen der Lotbumps 3 dar.
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Zugleich stellen an die Lotbumps 3 angrenzende Abschnitte des Sicherungsabschnitts 23 Opferbereiche 231 dar, die dazu vorgesehen sind, in den zumindest teilweise aufgeschmolzenen Lotbumps 3 gelöst zu werden um den Sicherungsabschnitt 23 zu unterbrechen.
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Die 1b und 2b zeigen eine der 1a entsprechende Draufsicht bzw. eine der 2A entsprechende Schnittansicht der ersten Leiterplattenanordnung in einem ersten Stadium des Auslösevorgangs der Anordnung zur Strombegrenzung während der Beaufschlagung der Leiterbahn 2 - und damit des Sicherungsabschnitts 23 - mit einem Strom der mindestens so groß ist wie der vorgegebene Auslösestrom.
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In diesem Stadium sind die Lotbumps 3 geschmolzen und ein Teil des Lotmaterials der Lotbumps 3 ist auf die Opferbereiche 231 geflossen, so dass er die Opferbereiche 231 zumindest stellenweise überdeckt. Das Kupfer der Opferbereiche 231 löst sich während des Auslösevorgangs allmählich im geschmolzenen Lot auf, was in 2b durch den punktierten Bereich in den Opferbereichen 231 schematisch angedeutet ist. Die Lösungsgeschwindigkeit des Kupfers im Lot ist stark temperaturabhängig und steigt oberhalb der Schmelztemperatur des Lots stark an.
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Die 1c und 2c zeigen eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische Schnittansicht der ersten Leiterplattenanordnung in einem auf das erste Stadium nachfolgenden zweiten Stadium am Ende des Auslösevorgangs bzw. nach dem Auslösevorgang.
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In diesem Stadium sind die Opferbereiche über ihre gesamte Höhe in dem Lotmaterial der Lotbumps 3 aufgelöst und das Material der Opferbereiche 231 hat sich aufgrund der Oberflächenspannung des Lots bzw. des Lot-Kupfer-Gemischs in Richtung zum ersten Leiterbahnabschnitt 21 bzw. zum zweiten Leiterbahnabschnitt 22 hin zurückgezogen (angedeutet durch die gepunkteten Bereiche innerhalb der Lotbumps 3 in 2c). Dadurch entstehen im Bereich der Opferbereiche 231 Spalte, mittels welchen der Sicherungsabschnitt 23 unterbrochen ist, so dass auch der Stromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 unterbrochen ist.
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Die Spalte können dadurch vergrößert sein, dass sich der in Richtung von den Lotbumps 3 weg auf die Opferbereiche 231 nachfolgende Teil des Sicherungsabschnitts 23 während des Auslösevorgangs der Anordnung zur Strombegrenzung im Bereich der Spalte von der Trägerplatte 1 abhebt (in 2c nach oben). Dies kann beispielsweise aufgrund von thermischen Spannungen zwischen dem Material der Trägerplatte 1 und dem Material des Sicherungsabschnitts 23 während des Auslösevorgangs hervorgerufen sein. Das Spaltmaß der beim Auslösevorgang zwischen dem ersten bzw. zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 und dem Sicherungsabschnitt 23 entstehenden Spalte kann auf diese Weise vergrößert sein.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind zumindest die Opferbereiche 231 von Lötstopplack unbedeckt. Beispielsweise liegt der Sicherungsabschnitt 23 frei.
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Die Lösung des Kupfers der Opferbereiche 231 im Lot der Lotbumps 3 erfolgt vorliegend mit Vorteil bereits bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts von (reinem) Kupfer. Dies kann beispielsweise durch die Bildung von intermetallischen Phasen und durch chemische Reaktionen zwischen dem Kupfer der Opferbereiche 231 und dem Lotmaterial der Lotbumps 3 verursacht sein. Um eine besonders schnelle Auflösung der Opferbereiche zu erzielen sind diese bei dieser oder anderen Ausgestaltungen vorzugsweise frei von Diffusionsbarriereschichten wie beispielsweise Nickel-Sperrschichten.
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Bei einer Variante dieser Leiterplattenanordnung ist die Leiterplattenanordnung derart ausgestaltet, dass sich nur einer der beiden Opferbereiche 231 auflöst um die Leiterbahn 2 zu unterbrechen. Dies ist z.B. möglich, wenn in der Umgebung der beiden Opferbereiche 231 unterschiedliche benachbarte Bauelemente 5 zur Erhitzung oder Kühlung mit beitragen.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer elektronischen Baugruppe mit einer zweiten Leiterplattenanordnung und mit einem elektrischen oder elektronischen Bauelement 5.
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Die zweite Leiterplattenanordnung entspricht grundsätzlich der ersten Leiterplattenanordnung, die anhand der 1a bis 1c und 2a bis 2c vorstehend beschrieben ist. Das Bauelement 5 ist auf der Trägerplatte 1 montiert und elektrisch leitend mit dem zweiten Leiterbahnabschnitt 22 verbunden, vorliegend mittels einer Lötverbindung eines elektrischen Anschlusspins des Bauelements 5.
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Im Gegensatz zur ersten Leiterplattenanordnung weist die Anordnung zur Strombegrenzung der vorliegenden Leiterplattenanordnung nur einen einzigen Lotbump 3 auf. Dieser ist beabstandet vom ersten und zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 etwa mittig auf dem Sicherungsabschnitt 23 angeordnet (in Draufsicht auf eine Hauptfläche der Trägerplatte 1). Hierzu kann der Sicherungsabschnitt 23 eine laterale Ausbuchtung haben, die einen Auflagebereich für den Lotbump 3 bildet. An gegenüberliegenden Seiten von dem Auflagebereich ausgehende Teilstück des Sicherungsabschnitts 23 haben einen geringeren Querschnitt als der erste und zweite Leiterbahnabschnitt 21, 22 wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Auf diese Weise ist der Lotbump 3 besonders gut mit dem vom Sicherungsabschnitt 23 gebildeten Heizelement 4 von zwei Seiten her erwärmbar. Opferbereiche 231 sind von an den Lotbump 3 seitlich angrenzenden Teilstücken des Sicherungsabschnitts 23 gebildet.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine dritte Leiterplattenanordnung, die im Wesentlichen der zweiten Leiterplattenanordnung entspricht. Im Gegensatz zur zweiten Leiterplattenanordnung ist der Lotbump 3 jedoch nicht den Sicherungsabschnitt 3 überdeckend und in zwei entgegengesetzte Richtungen lateral über den Sicherungsabschnitt 23 hinausragend ausgebildet. Vielmehr ist der Lotbump 3 vorliegend seitlich vom Sicherungsabschnitt 23 angeordnet und grenzt an einen Teilbereich des Sicherungsabschnitts 23 lateral an, welcher somit den Opferbereich 231 darstellt.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Leiterplattenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die grundsätzlich der Ausgestaltung der zweiten Leiterplattenanordnung entspricht.
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Während der Sicherungsabschnitt 23 bei der zweiten Leiterbahnanordnung jedoch geradlinig vom ersten Leiterbahnabschnitt 21 zum zweiten Leiterbahnabschnitt 22 verläuft, weist der Sicherungsabschnitt 23 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gekrümmte Teilstücke 232 auf, die sich - ausgehend vom ersten Leiterbahnabschnitt 21 bzw. vom zweiten Leiterbahnabschnitt 22 - bogenförmig um den Lotbump 3 herum erstrecken ohne diese zu berühren.
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Das vom ersten Leiterbahnabschnitt 21 ausgehende gekrümmte Teilstück 232 endet auf der von diesem abgewandten Seite des Lotbumps 3 an einem Knick 233. Analog endet das vom zweiten Leiterbahnabschnitt 22 ausgehende gekrümmte Teilstück 232 des Sicherungsabschnitts 23 auf der vom zweiten Leiterbahnabschnitt 22 abgewandten Seite des Lotbumps 3 an einem weiteren Knick 233. Die beiden gekrümmten Teilstücke 232 des Sicherungsabschnitts 23 bilden in Draufsicht auf eine Hauptfläche der Trägerplatte 1 einen nahezu geschlossenen Kreisbogen um die Lotbump 3 herum. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass aufgrund der Ätzprozesse beim Herstellen der Leiterplatte scharfe Knicke in der Regel nicht herstellbar sind, sondern die Konturen der Leiterbahn 2 an allen Stellen stetig differenzierbar sind. Derartige Stellen besonders starker Krümmung werden daher im vorliegenden Zusammenhang ebenfalls unter dem Begriff „Knick“ subsummiert.
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Zwischen den zwei Knicken 233 erstreckt sich ein geradlinig - oder bei einer Variante leicht gekrümmt - verlaufendes Teilstück des Sicherungsabschnitts 23. Opferbereiche 231 des Sicherungsabschnitts 23 sind von Teilbereichen dieses geradlinig verlaufenden Teilstücks gebildet, die ausgehend von dem Lotbump 3 auf den jeweiligen Knick 233 zu verlaufen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Erwärmung des Lotbumps 3 zu einem Großteil durch Wärmeleitung von den vom Lotbump 3 beabstandeten, gekrümmten Teilstücken 232.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer fünften Leiterplattenanordnung. Diese entspricht grundsätzlich der ersten Leiterplattenanordnung, wobei sie nur einen Lotbump 3 aufweist, der dem zweiten Leiterbahnabschnitt 22 benachbart ist.
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Zusätzlich zum Sicherungsabschnitt 23 ist das elektrische Heizelement 4 vorliegend von einem mäanderförmigen Heizschlangen-Abschnitt 60 einer weiteren Leiterbahn 6 gebildet, die in die Trägerplatte 1 eingebettet ist. Der Heizschlangen-Abschnitt 60 ist dabei in Draufsicht auf die Hauptfläche der Trägerplatte 1 zumindest stellenweise von dem Lotbump 1 überdeckt. Von der weiteren Leiterbahn 6 - insbesondere von dem Heizschlangen-Abschnitt 60 können thermisch und/oder elektrisch leitfähige Vias 7 zu der Leiterbahn 2 durch die Trägerplatte 1 geführt sein.
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7 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Leiterplattenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Jedoch sind der erste und der zweite Leiterbahnabschnitt 21, 22 nicht entlang einer gemeinsamen Haupterstreckungsrichtung angeordnet, sondern die Haupterstreckungsrichtungen des ersten und des zweiten Leiterbahnabschnitts 21, 22 sind in Draufsicht auf die Hauptfläche der Trägerplatte 1 zueinander geneigt, insbesondere zueinander senkrecht. Der Sicherungsabschnitt 23 hat nur ein gekrümmtes Teilstück 232, das nahezu vollständig bogenförmig um den Lotbump 3 herum verläuft. Kurze geradlinige oder leicht gekrümmte Endstücke des Sicherungsabschnitts 23 verlaufen von Knicken 233 an den Enden des gekrümmten Teilstücks 232 zum ersten bzw. zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22. Einer der Knicke 233 grenzt an den Lotbump 3 an, so dass ein den Knick 233 aufweisendes Teilstück des Sicherungsabschnitts 23 den - einzigen - Opferbereich 231 der Anordnung zur Strombegrenzung bildet.
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8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer siebten Leiterbahnanordnung, die im Wesentlichen der dritten Leiterplattenanordnung entspricht.
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Jedoch hat der Sicherungsabschnitt 23 bei der vorliegenden Leiterplattenanordnung eine T-Form. Anders ausgedrückt hat er drei geradlinige Teilstücke 231, 234, die sich ausgehend von einem gemeinsamen Knotenpunkt 235, wo sie zusammentreffen, bis zum ersten Leiterbahnabschnitt 21, bis zum zweiten Leiterbahnabschnitt 22 bzw. zum Lotbump 3 hin erstrecken. Dabei haben zwei der geradlinigen Teilstücke 234 die gleiche Haupterstreckungsrichtung und überbrücken den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22. Das dritte geradlinige Teilstück 231 zweigt am Knotenpunkt von den beiden anderen geradlinigen Teilstücken 234 ab und hat eine Haupterstreckungsrichtung, die vorzugsweise senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der beiden anderen Teilstücke 234 verläuft. Dieses Teilstück stellt bei der vorliegenden Leiterplattenanordnung den Opferbereich 231 dar und hat entlang seiner Haupterstreckungsrichtung eine Abmessung, die um ein Vielfaches kleiner ist als die Abmessungen der beiden anderen Teilstücke 234 entlang deren Haupterstreckungsrichtung. Auf diese Weise wird beim Auslösen der Anordnung zur Strombegrenzung - wie im Zusammenhang mit der ersten Leiterplattenanordnung beschrieben - der Sicherungsabschnitt im Bereich des Knotenpunkts 235 aufgelöst, so dass die Teilstücke 234, welche an den ersten bzw. den zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 angrenzen, beim Auslösen der Anordnung zur Strombegrenzung räumlich und galvanisch voneinander getrennt werden.
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9 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer achten Leiterplattenanordnung, die im Wesentlichen der zweiten Leiterplattenanordnung (siehe 3) entspricht.
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Bei der vorliegenden Leiterplattenanordnung weist der Sicherungsabschnitt 23 jedoch drei parallel zueinander verlaufende geradlinige Teilstücke 234 auf, die sich jeweils vom ersten Leiterbahnabschnitt 21 zum zweiten Leiterbahnabschnitt 22 hin erstrecken und stellenweile von dem Lotbump 3 bedeckt sind. Dort wo die Teilstücke 234 angrenzend an den Lotbump jeweils an gegenüberliegenden Seiten aus diesem herausragen, sind die Opferbereiche 231 gebildet.
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Im Gegensatz zur zweiten Leiterplattenanordnung ist der Lotbump 3 vorliegend nicht vollflächig auf einem metallischen Auflagebereich angeordnet. Vielmehr grenzt er seitlich von den geradlinigen Teilstücken 234 und zwischen diesen direkt an die Trägerplatte 1 an.
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10 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer neunten Leiterplattenanordnung Ausführungsbeispiel, die im Wesentlichen der achten Leiterplattenanordnung entspricht.
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Wie bei der achten Leiterplattenanordnung weist der Sicherungsabschnitt 23 drei Teilstücke 234 auf, die jedoch nicht parallel, sondern seriell verschaltet zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterbahnabschnitt 21, 22 angeordnet sind. Die Teilstücke 234 sind derart versetzt zueinander angeordnet, dass der Sicherungsabschnitt mäanderförmig mehrfach unter dem Lotbump 3 hindurch verläuft. Die einzelnen Teilstücke sind lateral voneinander beabstandet und mittels Knicken 233 - oder alternativ mittels bogenförmigen Verbindungsstücken 232 - miteinander verbunden. Beispielsweise ist mittels der Teilstücke 234 ein N-förmiger Verlauf des Sicherungsabschnitts 23 realisiert. Mittels der Teilstücke 234 und der Knicke 233 bzw. bogenförmigen Verbindungsstücke 232 sind V-förmige oder bogenförmige Bereiche des Sicherungsabschnitts 23 gebildet, die in Draufsicht auf die Trägerplatte 1 seitlich von dem Lotbump 3 angeordnet sind und deren Enden bis zum Lotbump 3 hin verlaufen.
